ХОЛОДНЫЙ СВЕТ

ТЕПЛО, ОГОНЬ И СВЕТ

Остер, светивший еще доисторическому человеку и со­гревавший его, старинная деревенская лучина, спичка, керосиновая лампа и современная электрическая лампочка называются тепловыми источниками света: в них свет излучается раскаленными горячими телами. В электри­ческой лампочке нет пламени, как в костре, но это не меняет дела: она также относится к тепловым источникам света, потому что в ней свет излучается раскаленным до­бела волоском из металла вольфрама.

Однако огонь (пламя), тепло и свет не всегда связаны друг с другом. Пламя может быть почти несветящимся. Так, почти не светит пламя газовых горелок, которыми пользуются химики в лабораториях; пламя кухонных газо­вых плит лишь слабо мерцает. Очень слаб свет пламени спиртовки, если ее фитиль чист и если чист окружающий воздух.

С другой стороны, известно не мало случаев так назы­ваемого беспламенного горения, когда вещество горит, а пламени нет: например, без пламени горит тлеющий уголек.

При «холодном» свечении мы наблюдаем испускание света, которое сопровождается лишь очень небольшим разогреванием вещества и полным отсутствием пламени.

Что такое пламя? Это поток раскаленных газов. Если в пламени присутствуют только одни нагретые газы, оно почти бесцветно и для освещения не годится. Так, при свете пламени газовой плиты невозможно читать книгу.

Пламя начинает светиться обычно тогда, когда в нем появляются раскаленные частицы твердых тел: угля, сажи и других веществ.

Пламя спички кажется на первый взгляд очень слабым. На самом деле температура этого пламени довольно высо­ка: около 800 градусов. При такой температуре расплав­ляются олово, свинец, алюминий. До такой высокой тем­пературы в этом пламени накалены частицы угля, кото­рые и придают пламени свечение.

Физикой установлен закон, что чем темнее какое-нибудь тело в холодном состоянии, тем ярче свет, который оно испускает, если его нагреть. Возьмем, например, кусок белого фарфора, на котором темной огнеупорной краской нанесен рисунок. Нагреем этот кусок, скажем, до 3000 градусов. При такой высокой температуре ярче всего бу­дут светиться как раз черные места, на которых лежит краска (рис. 6). Таким же образом и черные частицы угля, если их раскалить, испускают гораздо более яркий свет, чем газы, которые обычно в холодном состоянии либо бес­цветны, либо лишь слабо окрашены.

Больше всего света должно испускать при накаливании такое тело, которое в холодном состоянии чернее всех других тел. Что же это за тело? Какое тело чернее всех тел на свете?

Чтобы ответить на этот вопрос, разберемся сначала в том, что такое «белое» и «черное». На первый взгляд ка­жется, что тут и разбираться не в чем. Однако это не так просто. Только наука дает точный ответ на этот вопрос.

Более того, она дает способы количественно оценивать степень черноты или белизны различных тел.

Что происходит с лучами света, когда они падают на какое-нибудь тело? Часть их проходит сквозь тело, другая часть отражается от него, а третья поглощается им. Если основная масса световых лучей проходит через тело, мы говорим, что оно прозрачно; так, например, прозрачно оконное стекло, пропускающее около 75 процентов падаю -

Щих на него солнечных лучей (остальные лучи оно ча­стично отражает, частично поглощает). Прозрачны тонкие слои воды, прозрачен чистый воздух. Если же тело отра­жает от своей поверхности весь или почти весь падаю­щий на него свет, оно выглядит белым. Так, например, чистая хорошая беленая бумага отражает свыше 90 про­центов солнечных лучей; свежевыпавший снег тоже отра­жает большую часть солнечного света. Самым белым ве­ществом физики считают свежеприготовленный порошок окиси магния, который отражает почти весь падающий на него свет.

В том случае, когда большая часть падающего света поглощается телом, оно выглядит черным. Чем больше процент поглощенных лучей, тем чернее тело. Очень черна сажа, очень черен черный бархат, поглощающий почти
99 процентов падающего света. Но все эти тела все-таки не совершенно черны, так как хотя бы один процент све­товых лучей они все же отражают. Как же приготовить тйкое черное тело, которое практически поглощало бы все падающие на него лучи света?

Сделать это, оказывается, не так уж трудно. Возьмем небольшие кусочки картона или фанеры, покрасим их в черный цвет и приготовим из них коробочку, вроде дет­ского кубика, склеив их плотно вместе. В одной из стенок

Коробочки пробьем иглой очень маленькое отверстие (рис. 7).

Теперь выставим нашу коробочку на солнце так, чтобы солнечные лучи по­падали в ее отверстие. Что произойдет с этими лучами внутри коробочки?

Пройдя через отвер­

Стие, лучи упадут на дно коробочки, причем боль­шая часть их поглотится

Стенкой и лишь небольшая отразится от нее и упадет на другую стенку, где опять-таки ббльшая часть лучей поглотится, а меньшая отразится и попадет на

Третью стенку и так далее. При каждом падении отра­

Женного света на стенку часть его поглощается, а часть отражается. Конечно, каждый раз остается все меньше и меньше отраженных лучей. В конце концов после много­кратного поглощения и отражения лучей внутри коробочки они все практически будут поглощены ее стенками. Из отверстия лучи наружу совсем не будут выходить, и ОНО будет выглядеть черным. Оно и будет тем «абсолютно черным телом», которое мы хотели получить. Ведь для того чтобы тело было абсолютно черным, нужно только одно условие: оно должно поглощать все падающие лучи. Коробочка превосходно выполнит эту задачу, из чего бы мы ее ни сделали.

Взгляните в яркий солнечный день на белую оштука­туренную стену большого дома. Если окна в доме открыты,

Издали вы не увидите того, что находится в комнатах, отверстия окон кажутся черными дырами. Это происходит по той же причине, которая нами только что рассмотрена.

Можно еще иначе осуществить абсолютно черное тело. Возьмите пучок иголок, плотно сложенных друг с другом, и посмотрите на него с той стороны, куда направлены острия; эта сторона пучка покажется вам совершенно чер­ной. Это происходит оттого, что свет попадает в проме­жутки между остриями и, испытывая многократное отра­жение и поглощение на иголках, обратно не выходит, как и в случае описанной выше коробочки.

По этой же причине так черны черный бархат или сажа: поверхность бархата вся состоит из маленьких вор­синок, расположенных очень густо, а поверхность сажи — из мельчайших крупинок. Световые лучи, попавшие на такие поверхности, испытывают многократное отражение от ворсинок бархата или от крупинок сажи, причем каж­дый раз большая часть света поглощается, а меньшая от­ражается. В конце концов такие поверхности отражают наружу очень мало лучей и до, некоторой степени будут напоминать по своим свойствам абсолютно черное тело.

А теперь раскалим на огне наш пучок иголок. Мы уви­дим, что та его сторона, в которую обращены острия, бу­дет ярко светиться, а боковая поверхность пучка будет лишь слабо излучать свет.

Из этих опытов можно сделать один очень важный вы­вод: чем сильнее какое-нибудь тело поглощает свет в хо­лодном состоянии, тем сильнее оно его испускает при на­гревании.

Практически абсолютно черное тело впервые удалось сделать ученым Вину и Луммеру в конце прошлого века. Для этого они использовали латунный цилиндр, вычернен­ный внутри. В нем они сделали небольшое отверстие. Ци­линдр они окружили рубашкой-кожухом, через которую пропускали горячий пар. Это было сделано для того, чтобы поддерживать температуру абсолютно черного тела по­стоянной, не давая ему ни нагреваться, ни охлаждаться, и изучать его поведение при разных температурах, которые во время самого опыта не должны были изменяться.

Оказалось, что если поддерживать постоянной темпе­ратуру такого черного тела, то количество света, излучае­мое через отверстие этого тела, равно тому, которое оно

Поглощает. Если бы это тело больше излучало, чем погло­щало, оно стало бы охлаждаться, а если бы больше по­глощало, чем излучало, то оно стало бы нагреваться. Это мы заметили бы по показаниям термометра, помещенного в черное тело. Если же этот термометр не показывает ни повышения, ни понижения температуры, значит, наше аб­солютно черное тело поглощает ровно столько же энергии, сколько и испускает. Такое состояние тела ученые назы­вают состоянием равновесия. В таком состоянии общий запас энергии тела остается неизменным.

Если мы вновь начнем нагревать черное тело, состоя­ние равновесия нарушится и оно снова начнет поглощать анергию, которую мы ему «подаем». Но как только мы вновь сделаем температуру черного тела постоянной, в нем снова установится тепловое равновесие.

Все наши рассуждения об абсолютно черном теле вы­зывают вопрос: а как ведут себя окружающие нас тела, способные излучать свет? Оказывается, большая часть теп­ловых источников света (свечи, лампы, даже костер) до­вольно близка к абсолютно черному телу. Близко к нему и Солнце — самый мощный тепловой источник света. Эти тела излучают почти всю ту энергию, которую они полу­чают каким-нибудь способом. Так, например, уголь, сго­рая, излучает почти всю ту энергию, которая нужна для поддержания его горения и которую он получает. Разли­чие между спичкой и Солнцем в отношении излучения только в том, что спичка излучает энергию при темпера­туре около 800 градусов, а поверхность Солнца — при тем­пературе около 6000 градусов.

Казалось бы, что если все тепловые источники света излучают почти всю ту энергию, которую они получают, то они должны быть очень выгодными. На самом деле это далеко не так. Дело в том, что из энергии, затраченной на нагревание теплового источника света, в свет превра­щается только ничтожная доля ее. Даже абсолютно чер­ное тело, которое является самым совершенным из всех тепловых источников света, нагретое до 2000 градусов, превращает в свет, ощутимый для наших глаз, только 0,3 процента всей поглощенной им энергии. Правда, при бо­лее высокой температуре этот процент увеличивается; так, например, при 3000 градусов оно превращает в видимый свет уже около 3 процентов всей излучаемой им энергии.

Но все же доля энергии, превращаемой в видимый и по­лезный для нас свет, остается очень небольшой. Если так ведет себя абсолютно черное тело, то обычные источники света «отпускают» нам свет еще более скупо.

Во что же превращается остальная энергия, поглощае­мая абсолютно черным телом или обычными тепловыми источниками света? Она излучается в форме невидимых для глаз лучей, которые нам не удается непосредственно использовать для освещения.

Обыкновенная электрическая лампочка, предназначенная для освещения, свое назначение выполняет плохо. Конечно, наша современная электрическая лампочка и экономичнее и удобнее, чем, например, костер или керосиновая лампа. Но все же наиболее употребительная электрическая лам­почка в 100 ватт превращает в видимый свет всего 2 — 3 ватта. Большую часть получаемой от электростанции энергии (не менее 95 процентов) лампочка превращает в теплоту, излучаемую в виде инфракрасных лучей.

Из всего этого следует, что вообще все тепловые ис­точники света невыгодны с экономической точки зрения даже в том случае, если они приближаются к наиболее выгодному из них — к абсолютно черному телу.

Как мы увидим далее, тепловые источники света име­ют и еще один большой недостаток: они дают свет, до­вольно сильно отличающийся по составу от обычного сол­нечного, к которому наши глаза более всего приспособлены.

Новые возможности даст нам использование холодного света.